등온 또는 등온 과정은 온도가 일정하게 유지되는 가역 열역학적 과정이다. 가스에는 시스템의 변화가 온도의 변화가 아니라 물리적 특성에 영향을 미치는 상황이 있습니다.
이러한 변화는 물질이 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 또는 그 반대로 변할 때의 상 변화입니다. 이러한 경우 물질의 분자는 위치를 재조정하여 열 에너지를 추가하거나 추출합니다.
그림 1. 녹는 고드름은 등온 과정의 예입니다. 출처 : Pixabay.
물질에서 발생하는 상 변화에 필요한 열 에너지를 잠열 또는 변형 열이라고합니다.
공정을 등온으로 만드는 한 가지 방법은 연구중인 시스템이 될 물질을 열량 용량이 큰 또 다른 시스템 인 외부 열 저장소와 접촉하는 것입니다. 이런 식으로 온도가 일정하게 유지되는 느린 열 교환이 발생합니다.
이러한 유형의 프로세스는 본질적으로 자주 발생합니다. 예를 들어, 인간은 체온이 상승하거나 하강 할 때 몸이 아파요. 왜냐하면 우리 몸에서는 생명을 유지하는 많은 화학 반응이 일정한 온도에서 일어나기 때문입니다. 이것은 일반적으로 온혈 동물에게 해당됩니다.
다른 예로 봄이 오면 더위에 녹는 얼음과 음료를 식히는 얼음 조각이 있습니다.
-온혈 동물의 신진 대사는 일정한 온도에서 수행됩니다.
그림 2. 온혈 동물은 온도를 일정하게 유지하는 메커니즘이 있습니다. 출처 : Wikimedia Commons.
-물이 끓으면 액체에서 기체로 상 변화가 일어나고 다른 요인이 값에 영향을 미칠 수 있으므로 온도는 약 100ºC로 일정하게 유지됩니다.
-얼음을 녹이는 것은 얼음을 만들기 위해 냉동실에 물을 넣는 것과 같은 또 다른 일반적인 등온 과정입니다.
-자동차 엔진, 냉장고 및 기타 여러 유형의 기계는 특정 온도 범위에서 올바르게 작동합니다. 온도 조절 장치라고하는 장치는 적절한 온도를 유지하는 데 사용됩니다. 다양한 작동 원리가 설계에 사용됩니다.
카르노 사이클
Carnot 엔진은 완전히 가역적 인 프로세스 덕분에 작업을 수행하는 이상적인 기계입니다. 작업을 수행하는 물질의 점도 나 마찰과 같은 에너지를 방출하는 프로세스를 고려하지 않기 때문에 이상적인 기계입니다.
카르노 사이클은 4 단계로 구성되며, 두 단계는 정확하게 등온이고 다른 두 단계는 단열입니다. 등온 단계는 유용한 작업을 생성하는 가스의 압축 및 팽창입니다.
자동차 엔진은 유사한 원리로 작동합니다. 실린더 내부의 피스톤 움직임은 자동차의 다른 부분으로 전달되어 움직임을 생성합니다. Carnot 엔진과 같은 이상적인 시스템의 동작은 없지만 열역학 원리는 일반적입니다.
등온 공정에서 수행 된 작업 계산
온도가 일정 할 때 시스템이 수행하는 작업을 계산하려면 다음과 같은 열역학 제 1 법칙을 사용해야합니다.
이것은 시스템의 에너지 보존을 표현하는 또 다른 방법으로, ΔU 또는 에너지의 변화, Q는 공급 된 열로, 마지막으로 W는 시스템이 수행하는 작업입니다.
문제의 시스템이 A 영역의 움직이는 피스톤 실린더에 포함 된 이상 기체라고 가정합니다.이 기체는 볼륨 V가 V 1 에서 V 2로 변경 될 때 작동 합니다.
그림 3. 등온 공정에서 가스는 온도 변화없이 피스톤에서 팽창합니다. 출처 : youtube.
이상 기체 상태 방정식은 PV = nRT이며, 이는 부피를 압력 P 및 온도 T와 관련시킵니다. n과 R의 값은 일정합니다 .n은 가스의 몰수이고 R은 가스의 상수입니다. 등온 공정의 경우 PV 제품은 일정합니다.
음, 수행 된 작업은 힘 F가 작은 변위 dx를 생성하는 작은 미분 작업을 통합하여 계산됩니다.
Adx는 정확히 부피 변화 dV이므로 다음과 같습니다.
등온 과정에서 전체 작업을 얻기 위해 dW에 대한 표현식을 통합합니다.
압력 P와 부피 V는 그림에 표시된 것과 같은 PV 다이어그램에 표시되며 수행 된 작업은 곡선 아래 영역과 동일합니다.
그림 4. 등온 공정의 PV 다이어그램. 출처 : Wikimedia Commons.
온도가 일정하게 유지되기 때문에 ΔU = 0이므로 등온 과정에서 다음을 수행합니다.
- 연습 1
움직이는 피스톤이 장착 된 실린더는 127ºC에서 이상 기체를 포함합니다. 피스톤이 초기 부피를 10 배 줄이면서 온도를 일정하게 유지하고 가스에 대한 작업이 38,180J이면 실린더에 포함 된 가스의 몰 수를 찾으십시오.
데이터 : R = 8.3 J / mol. 케이
해결책
성명서는 온도가 일정하게 유지되므로 등온 과정이 있음을 나타냅니다. 가스에 대한 작업에 대해 이전에 추론 된 방정식이 있습니다.
127º C = 127 + 273 K = 400K
몰수 n을 구합니다.
n = W / RT ln (V2 / V1) = -38180 J / 8.3 J / mol. K x 400 K x ln (V 2 / 10V 2 ) = 5 몰
작업 앞에 음수 부호가 있습니다. 주의 깊은 독자는 이전 섹션에서 W가 "시스템에서 수행 한 작업"으로 정의되고 + 기호가 있음을 알 수 있습니다. 따라서 "시스템에서 수행 된 작업"에는 음수 부호가 있습니다.
-연습 2
플런저가 장착 된 실린더에 공기가 있습니다. 우선, 0.4 m 존재 3 100 kPa의 압력과 80도 온도에서 기체. 공기는 0.1 m 3 까지 압축되어 프로세스 동안 실린더 내부 온도가 일정하게 유지됩니다.
이 프로세스 중에 수행되는 작업의 양을 결정하십시오.
해결책
우리는 이전에 도출 된 일에 대한 방정식을 사용하지만 몰의 수는 알 수 없으며 이상 기체 방정식으로 계산할 수 있습니다.
80ºC = 80 + 273K = 353K.
P 1 V 1 = nRT → n = P 1 V 1 / RT = 100000 Pa x 0.4 m 3 /8.3 J / mol. K x 353 K = 13.65 몰
W = nRT ln (V 2 / V 1 ) = 13.65 mol x 8.3 J / mol. K x 353 K x ln (0.1 /0.4) = -55.442.26 J
다시 음수 기호는 가스가 압축 될 때 항상 발생하는 시스템에서 작업이 수행되었음을 나타냅니다.
참고 문헌
- Bauer, W. 2011. 공학 및 과학 물리학. 볼륨 1. Mc Graw Hill.
- Cengel, Y. 2012. 열역학. 7 ma 에디션. McGraw Hill.
- Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. Volume 4. 유체 및 열역학. Douglas Figueroa (USB) 편집.
- Knight, R. 2017. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. 물리학의 기초. 9 해당 없음 Cengage 학습.
- Wikipedia. 등온 과정. 출처 : en.wikipedia.org.